Свободная энергия. Для того, чтобы цикл Карно работал, необходимо внести в систему третий элемент – холодильник

Для того, чтобы цикл Карно работал, необходимо внести в систему третий элемент – холодильник. Роль холодильника заключается в том, что он забирает часть тепла от рабочего тела и увеличивает энтропию системы, поскольку процесс теплопередачи приводит к увеличению энтропии. Пусть холодильник имеет температуру T₂ и забирает у рабочего тела количество теплоты Q₂. Изменение энтропии холодильника определяется величиной . Величина Q₂ будет положительна, поскольку холодильник получает тепло. С другой стороны, для сохранения баланса холодильнику нужно передать меньше тепла, чем взято у нагревателя, поскольку T₂ < T₁. В работу превращается тепловая энергия, равная разности Q₂ – Q₁. Эта энергия получила название свободной энергии.

Воспользуемся термодинамическим тождеством (144)

TdS = dU + δA

И сделаем следующие преобразования:

dU = TdS – δA,

–δA = dU – TdS = d(U – TS),

δA = –d(U – TS).

Таким образом, работа при изотермическом процессе равна изменению некоторой функции U – TS. Эта функция, очевидно, и представляет собой свободную энергию:

F = U – TS. (146)

Поскольку все величины в правой части уравнения являются функциями состояния, то и свободная энергия является функцией состояния. При квазистатическом изотермическом процессе только эта часть внутренней энергии системы может быть превращена в работу.